Marco conceptual
- 1. MARCO REFERENCIAL La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos, rama de la física a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que lo provocan.1 La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. Así la mecánica de fluidos se la pude dividir en dos partes: mecánica de fluidos 1 o hidrostática, y mecánica de fluidos 2 o hidrodinámica + LO DE ANTES MARCO TEORICO CONCEPTUAL HISTORIA DE LA RUEDA HIDROELECTRICA El más antiguo de los motores hidráulicos es la rueda hidráulica que está constituida por una serie de palas dispuestas en forma de rueda; en la cual el agua, al caer, choca contra las palas e impulsa a éstas con lo que se consigue el movimiento de la rueda. La utilización de la energía hidráulica data de la época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C, para bombear agua. Sin embargo, las primeras referencias detalladas de la rueda hidráulica, así como sus aplicaciones son desde los tiempos del imperio romano, cuando aparece la rueda hidráulica horizontal, también llamada “molino romano” y el molino de rueda vertical de paletas, que generalmente es denominado “molino tipo vitruviano”, llamado así en honor al Ingeniero romano Vitruvio quien estudió y documentó este tipo de rueda, que desarrollaron los romanos ante la insatisfacción con la rueda horizontal de los griegos debido a su baja eficiencia. Este tipo de molino descrito por Vitruvio fue el más común por muchos siglos, no solo en Europa sino también en América, principalmente en el norte del continente. En provincias como Hispania, que ha sido reconocida como parte importante en la producción y exportación de granos para Roma, prácticamente la totalidad del grano era molido para obtener harina, materia prima básica en la fabricación de pan, que constituía el principal pilar de la dieta de la época. Para esto, la mayoría de los molinos de grano estaban constituidos por dos muelas (una fija llamada solera y otra móvil o corredera), estas eran poco peraltadas y de pequeño diámetro, y podían moverse gracias al movimiento de la rueda producida por el agua.Con menor frecuencia han aparecido en otras provincias romanas molinos de muelas muy peraltadas, llamados molinos pompeyanos -por los magníficos
- 2. ejemplares de este tipo hallados en la ciudad de Pompeya. Estos molinos requerían, por su tamaño mucho mayor, ser tirados por asnos y tenían naturalmente una capacidad de molienda bastante mayor. Además de los griegos y los romanos, en la antigüedad los egipcios emplearon la Sakia, (rueda hidráulica de compartimientos o cubos) para elevar agua. Se piensa que quizá también los sumerios emplearon la rueda hidráulica con otros fines. Más adelante, la rueda hidráulica se transformó en la gran máquina de la Edad Media, utilizándose en molinos harineros, en aserraderos, martillos y bombas, para accionar fuelles, para la batanadura de la lana, para exprimir la caña dulce, primer paso para la fabricación del azúcar; incluso fueron usadas ruedas hidráulicas para ayudar en el proceso de extracción de los minerales en la famosa mina del Potosí, en Bolivia.Siendo una máquina de tan diversa aplicabilidad, a lo largo de la historia muchos se interesaron en el desarrollo de la rueda hidráulica. Hasta el famoso Leonardo da Vinci diseñó una rueda que era capaz de llenar una torre de agua, quizás para suplir las necesidades de este recurso a un pueblo. La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Para esta época ya se encontraban por lo menos medio millón de ruedas en Europa, en minas e industrias. Aunque las máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. La energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carbón a bajo precio. Estas ruedas hidráulicas continuaron aplicándose en diversos campos durante mucho tiempo Para 1850, los británicos habían construido un gran número de ruedas hidráulicas para uso industrial, que producían de 65kW a 190kW, con diámetros entre 7 y 12 metros. Algunas de estas ruedas fueron dejadas en funcionamiento por más de 100 años. La construcción de tales máquinas sería muy costosa ahora; pero ruedas más pequeñas (en un rango de 0.3 a 0.5kW) todavía son consideradas económicamente viables en algunos lugares del sur de ese país.
- 3. . ¿QUE ES UNA RUEDA HIDROELECTRICA U HIDRAULICA? Máquina que capta la energía del agua que corre o cae (por lo tanto, una máquina motriz) mediante un conjunto de paletas o cangilones montados en torno a una rueda. La fuerza del agua en movimiento contra las paletas, o el peso del agua que cae en los cangilones, hace girar la rueda. La energía resultante es transmitida a la maquinaria por medio del eje de la rueda. La rueda hidráulica fue quizás la fuente más antigua de energía mecánica para reemplazar la del músculo humano o animal, y se usó primero para tareas como elevar agua o moler granos. Produce energía hidráulica que se puede transformar en energía eléctrica. FUNCIONAMIENTO DE LA RUEDA HIDRÁULICA Existen muchos tipos de ruedas hidráulicas, pero en cualquier caso el funcionamiento es siempre el mismo: mediante un canal se desvía cierta cantidad de agua del río, la cual se hace entrar a gran velocidad y en cantidad suficiente en el molino. Al llegar, el agua choca contra las palas de una rueda hidráulica que transmite a lo largo de su eje el movimiento a otras piezas tales como poleas, engranajes o bielas que comunican el giro de la rueda hidráulica a las muelas, los martinetes o cualquier otro mecanismo que gire u oscile. Dependiendo de su funcionamiento y al mecanismo de llegada del agua, las ruedas hidráulicas verticales se clasifican en las siguientes: Rueda hidráulica con canal de alimentación superior Las ruedas se desliza empujada por el agua que llega desde arriba, permitiendo una mayor explotación del agua disponible debido a que esta cae y la fuerza de gravedad realiza todo el efecto. Se usa en lugares donde hay alturas suficientes y el caudal es muy poco. El rendimiento es bastante alto (80 a 90 %). La rueda es trabajoso en su fabricación (impermeabilidad) Ruedas hidráulica con canal de alimentación en la altura del eje El agua entra en la rueda en la altura del eje. Su eficiencia e menor que en el caso de las ruedas con canal de alimentación superior. Se necesita un empaque entre la rueda y canal de alimentación . Se usa este tipo de rueda en casos donde hay muchos cambios en el nivel del agua de entrada y de salida.
- 4. Rueda hidráulica con canal de alimentación inferior Este es el tipo de rueda más simple. Estas, aprovechan solo la impulsión de la corriente del agua, aunque el problema de esta consiste en que no hace uso del peso del agua que cae y, en lugar de eso, depende del flujo de la fuente de agua. Su rendimiento es muy bajo (15 a 20 %) en el caso de un canal de alimentación forzado. En los molinos de barco el rendimiento es aún más bajo porque el agua tiende a desviarse a los lados de la rueda. Rueda hidráulica reversible Es una rueda hidráulica con canal de alimentación superior con la posibilidad de cambiar el sentido de rotación, esto permite que sea utilizada para levantar cargas. Durante la historia, se desarrollaron varios mecanismos para encender y apagar maquinarias independientes movidas por las ruedas hidráulicas. Para detener las operaciones en los molinos frecuentemente se pueden encontrar compuertas que controlan el flujo del agua que va a las aspas. Para desencoplar algunas maquinarias, las correas de los engranajes son empujadas hacia poleas que rotan libremente, para que así estos no sean empujados por el eje principal de la rueda. Con todo lo expuesto anteriormente, es posible darse cuenta que estas ruedas hidráulicas aunque han sido reemplazadas por maquinaria mucho más eficiente, que los han convertido en obsoletos; los que aún se conservan son una prueba viviente de una importante era tecnológica y con suerte serán conservados para el deleite de futuras generaciones. ESTAS SON ALGUNOS PRINCIPIOD DE FIDCA QUE SE CUMPLE EN ESTE PROCESO DINÁMICA DE FLUIDOS O HIDRODINÁMICA Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos. El interés por la dinámica de fluidos se remonta a las aplicaciones más antiguas de los fluidos en ingeniería. Arquímedes realizó una de las primeras contribuciones con la invención, que se le atribuye tradicionalmente, del tornillo sin fin. La acción impulsora del tornillo de Arquímedes es similar a la de la pieza semejante a un sacacorchos que tienen las picadoras de carne manuales. Los romanos desarrollaron otrasmáquinas y mecanismos hidráulicos; no sólo empleaban el tornillo de Arquímedes para bombear agua en agricultura y minería, sino que también construyeron extensos sistemas de acueductos, algunos de los cuales todavía funcionan. En el siglo I a.C., el arquitecto e ingeniero romano Vitrubio inventó la rueda hidráulica horizontal, con lo que revolucionó la técnica de moler grano. A pesar de estas tempranas aplicaciones de la dinámica de fluidos, apenas se comprendía la teoría básica, por lo que su desarrollo se vio frenado. Después de Arquímedes pasaron más de 1.800 años antes de que se produjera el siguiente avance científico significativo, debido al matemático y físico italiano Evangelista Torricelli, que inventó el barómetro en 1643 y formuló el teorema de Torricelli, que relaciona la velocidad de
- 5. salida de un líquido a través de un orificio de un recipiente, con la altura del líquido situado por encima de dicho agujero. El siguiente gran avance en el desarrollo de la mecánica de fluidos tuvo que esperar a la formulación de las leyes del movimiento por el matemático y físico inglés Isaac Newton. Estas leyes fueron aplicadas por primera vez a los fluidos por el matemático suizo Leonhard Euler, quien dedujo lasecuaciones básicas para un fluido sin rozamiento (no viscoso). Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin embargo, como esto nunca es así en el caso de los fluidos reales en movimiento, para Gareth Williams los resultados de dicho análisis sólo pueden servir como estimación para flujos en los que los efectos de la viscosidad son pequeños. EL TEOREMA DE BERNOULLI Una de las leyes fundamentales que rigen el movimiento de los fluidos es el teorema de Bernoulli, que relaciona un aumento en la velocidad de flujo con una disminución de la presión y viceversa. El teorema de Bernoulli explica, por ejemplo, la fuerza de sustentación que actúa sobre el ala de un avión en vuelo. Un ala — o plano aerodinámico— está diseñada de forma que el aire fluya más rápidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminución de presión en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentación que mantiene el avión en vuelo. Los coches de carrera son muy bajos con el fin de que el aire se desplace a gran velocidad por el estrecho espacio entre la carrocería y el suelo. Esto reduce la presión debajo del vehículo y lo aprieta con fuerza hacia abajo, lo que mejora el agarre. Estos coches también llevan en su parte trasera un plano aerodinámico con forma de ala invertida para aumentar la fuerza contra el suelo. La vela de un balandro en movimiento también constituye un plano aerodinámico. Otro aspecto importante de la aerodinámica es la resistencia al avance que experimentan los objetos sólidos que se mueven a través del aire. Por ejemplo, las fuerzas de resistencia que ejerce el aire que fluye sobre un avión deben ser superadas por el empuje del reactor o de las hélices. La resistencia al avance puede reducirse significativamente empleando formas aerodinámicas. Según el autor James A. Fay: "Cuando el objeto no es totalmente aerodinámico, la resistencia aumenta de forma aproximadamente proporcional al cuadrado de su velocidad con respecto al aire". Por ejemplo, la potencia necesaria para propulsar un coche que avanza de forma uniforme a velocidades medias o altas se emplea fundamentalmente en superar la resistencia del aire. CONTAMINACION DE LAS PLANTAS HIDROELECTRICA
- 6. Contrario a la creencia popular, la generacion de energiahidroelectrica puede afectar seriamente el clima mundial. Se han propuesto cambios a la forma en que se calcula la contribucion al cambio climatico mundial de cada pais, para tomar en cuenta las emisiones de gases con efecto invernadero de parte de las reservas de poder hidroelectrico, pero los expertos estan preocupados en que no se llegara al fondo del problema. La imagen no cantaminante de la generacionhidroelecrica como alternativa benigna a la generacion por combustibles fosiles es falsa, dice Eric Duchemin, un consultor para el Intergovernmental Panel onClimateChange (IPCC). "Todos piensan que la hidrogeneracion es muy limpia, pero esto no es asi". Las represas hidroelectricas producen cantidades significativas de dioxido de carbono y metano, y en algunos casos producen mas de estos gases con efecto invernadero que las plantas de poder funcionando con combustibles fosiles. Las emisiones de carbonvarian de represa a represa, dice Philip Fearnside del Brazil'sNationalInstituteforResearch in the Amazon en Manaus. "Pero nosotros conocemos que hay suficientes emisiones para preocuparnos del tema". En un estudio a ser publicado en Mitigation and AdaptationStrategiesfor Global
- 7. Change, Fearnside estima que en 1990 las emisiones con efecto invernadero de la represa de Curua-Una en Para, Brazil, fue mas de tres y media veces de la que se hubiera producido por generar la misma cantidad de energiaelectrica mediante el uso del petroleo. Esto es a causa de las grandes cantidades de carbon unido a arboles y otras plantas se liberan cuando el reservorio es inundado inicialmente y las plantas se pudren. Entonces, despues que este primer pulso de emisiones decae, la vegetacion asentadas en el fondo del reservorio se descomponen sin oxigeno, resultando en un aumento del metano disuelto. Este metano es liberado cuando el agua pasa a traves de las turbinas de la represa. Zonas de aporte Los cambios estacionales en el nivel del agua producen un aporte continuo de material en descomposicion. En las temporadas en que bajan los niveles del agua en la represa, las plantas colonizan los margenes del reservorio, solamente para ser sumergidas cuando el nivel sube. Para regiones de baja pendiente estas zonas de inundacionperiodica pueden abarcar varios miles de kilometros cuadrados. En efecto los reservorios hechos por el hombre convierten el dioxido de carbono de la atmosfera en metano. Esto es significativo ya que el efecto del metano sobre el calentamiento global es 21 veces mas fuerte que el dioxido de carbono. El reclamo que los hidroproyectos son produtores netos de gases con efecto invernadero no es algo nuevo (edicion impresa de New Scientist del 3 de junio de 2000) pero este aspecto esta adquiriendo importancia en la egendapolitica. En la proxima ronda de discusiones de la IPCC en 2006, el propuesto Programa de Inventario de Gases con efecto Invernadero de las Naciones, el que calcula la produccion por paises de emision de carbon, incluira las emisiones de las regiones inundadas artificialmente. Pero esta guia tomara solo en cuenta los primeros 10 años de operacion de las represas y solamente incluira las emisines superficiales. La produccion de metano permanecera sin medirse ya que los expertos en el clima no estan de acuerdo en cuan significativo es; este tambien variara entre represas. Pero si Fearnside impone su postura todas las emisiones pueden ser incluidas. Con las guias de trabajo propuestas de la IPCC, los paises tropicales que se basan grandemente en la energiahidroelectrica, como Brazil, podrian ver sus inventarios nacionales de emisiones de gases con efecto invernadero
- 8. incrementados tanto como en un 7% (ver el mapa). Paises con climas mas friosseran menos afectados, dijo, ya que las condiciones de menor temperatura no se favorecen la produccion de gases con efecto invernadero. A pesar de una decada de investigaciones documentando las emisiones de carbon de los reservorios artificiales, la energiahidroelectricaaun tiene una no merecida reputacion de mitigar el calentamiento global. "Yo pienso que es importante que estas emisiones sean tomadas en cuenta", dijo Fearnside. La emisión de gases que contribuyen al "efecto invernadero" de las centrales hidroeléctricas es cuatro veces superior a lo que se creía hasta ahora, según un estudio del Instituto Catalán de Ciencias del Clima (IC3) y el Instituto Nacional de Investigaciones Amazónicas(INPA) de Brasil. Este estudio pone en duda la fama de "energía limpia" que ostentaba la energía hidroeléctrica e indica que estas centrales producen la emisión de partículas de metano a la atmósfera, un gas que contribuye más al calentamiento global de la Tierra que el dióxido de carbono (CO2). Según el IC3, las condiciones medioambientales que se crean alrededor de los embalses hidroeléctricos, especialmente en climas tropicales, provoca que la materia orgánica, al descomponerse, no dé lugar a CO2 sino a gas metano, que contribuye más al "efecto invernadero" que el dióxido de carbono. Los investigadores Salvador Pueyo y Philip M. Fearnside, del IC3 y del INPA, respectivamente, aseguran que las investigaciones anteriores sobre este tema subestimaban "casi un 80% de las emisiones" y señalan que estas centrales son "fábricas de metano" con un nivel de emisiones similar al de las centrales térmicas. Este estudio aparece en un momento de gran polémica en varios países suramericanos donde se está impulsando la construcción de embalses hidroeléctricos que amenazan con inundar grandes áreas de la selva amazónica y con destruir el hábitat de tribus indígenas. BIBLIOGRAFÍA
- 9. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_hidr%C3%A1ulica MUMFORD, Lewis. Técnica y Civilización. ww.monograwfias.com/trabajos12/mecflui/mecflui.shtml#ENSAYO http://www.infolink.com.br/~peco/mum_c25.htm Historia de la Cultura Material en la América Equinoccial. Industrialización y tecnología en la época republicana. http://www.banrep.gov.co/blaavirtual/letra-h/historia5/cap23.htm Educar.org http://www.educar.org/inventos/larueda.htm Evolución histórica del aprovechamiento hidráulico http://www.terra.es/personal2/carrace/molinoag.htm Energía Hidráulica http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Departamentos/DFyQ/energia/e- 3/energia.htm Los Molinos y las Aceñas http://club.telepolis.com/nachoben/TrydacnaTelepolis/arquitectura_rural/FTP/los _molinos_y_las_acenas.htm Orígenes de la energía hidroeléctrica http://www.ambientum.com/revista/2001_27/2001_27_ENERGIA/HIDROLCTH 1.htm Información acerca de la planta museo Schwellöd en la orilla de la ciudad Waidhofen/Ybbs http://www.waidhofen.at/schwelloed/schwell/spanisch/warad/warad3.htm El agua, recurso natural: usos tradicionales del río http://criecv.fis.uji.es/crie/agua/usos.html Early Technology for Power: The Water Mill http://itech.dickinson.edu/fsweb/natemill.html http://www.axt.4t.com/tech/tech/dams.html http://www.iagua.es/2011/07/las-hidroelectricas-contaminan-cuatro-veces-mas-de-lo-estimado- segun-estudio-de-ic3-e-inpa